京津冀協(xié)同發(fā)展區(qū)地應(yīng)力監(jiān)測(cè)孔鉆探施工技術(shù)

張建杰，李海明

（北京市礦產(chǎn)地質(zhì)研究所，北京 101500）

0 引言

地應(yīng)力是指客觀賦存于地殼巖體內(nèi)且未受工程擾動(dòng)的一種自然力，亦稱(chēng)原巖應(yīng)力，它是導(dǎo)致地殼巖體產(chǎn)生變形、斷裂、褶皺乃至地震的根本作用力［1］。隨著我國(guó)采礦、交通、水利水電和能源等行業(yè)快速發(fā)展，巖爆、巷道變形、高邊坡失穩(wěn)等一系列問(wèn)題愈加突出，地應(yīng)力重要性日益顯著。目前，地應(yīng)力測(cè)量及地應(yīng)力場(chǎng)分析已廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)、水利水電、油氣井眼穩(wěn)定性分析、地?zé)衢_(kāi)發(fā)、核廢料處置、地震預(yù)報(bào)、地殼強(qiáng)度評(píng)價(jià)、地球動(dòng)力學(xué)等方面的研究［2-4］。

地應(yīng)力監(jiān)測(cè)孔一般布置在堅(jiān)硬致密的花崗巖區(qū)域，巖石可鉆性級(jí)別為8～10級(jí)，鉆孔設(shè)計(jì)深度數(shù)百米不等，目前亞洲最深的地應(yīng)力監(jiān)測(cè)孔鉆孔深度為1003 m，由我所承擔(dān)完成。地應(yīng)力監(jiān)測(cè)孔作為地應(yīng)力測(cè)量與監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)場(chǎng)所，鉆孔質(zhì)量要求較固體礦產(chǎn)勘探鉆孔要高得多：不僅對(duì)鉆孔巖心采取率、垂直度、孔徑及同心度要求較高，而且要求在鉆進(jìn)過(guò)程中盡量減少使用潤(rùn)滑劑等處理劑。在近些年的地應(yīng)力監(jiān)測(cè)孔施工中，通過(guò)不斷改進(jìn)鉆探工藝、選擇適宜的鉆探設(shè)備及鉆具，基本能夠滿(mǎn)足地應(yīng)力監(jiān)測(cè)孔質(zhì)量要求，但仍然存在不足。因此，有必要專(zhuān)門(mén)對(duì)地應(yīng)力監(jiān)測(cè)孔的施工技術(shù)進(jìn)行研究和總結(jié)，不斷提高地應(yīng)力監(jiān)測(cè)孔的施工質(zhì)量，以保證地應(yīng)力測(cè)量與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1 工程概況

京津冀協(xié)同發(fā)展區(qū)地應(yīng)力監(jiān)測(cè)孔鉆探工程由北京市礦產(chǎn)地質(zhì)研究所承擔(dān)并實(shí)施，該工程來(lái)源于中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所主持的“京津冀協(xié)同發(fā)展區(qū)活動(dòng)斷裂地應(yīng)力測(cè)量與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆探工程及試驗(yàn)配合服務(wù)項(xiàng)目”，施工地點(diǎn)位于河北省石家莊市元氏縣，任務(wù)是完成1個(gè)600 m深的監(jiān)測(cè)孔的鉆探工程，并配合甲方開(kāi)展地應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)，最終建立監(jiān)測(cè)臺(tái)站。該項(xiàng)目意義在于構(gòu)建和完善京津冀地區(qū)深孔地應(yīng)力測(cè)量與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，揭示京津冀地區(qū)關(guān)鍵構(gòu)造部位現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)隨深度變化規(guī)律，為國(guó)家重大工程建設(shè)提供深部實(shí)物地質(zhì)資料。

2 鉆孔施工難點(diǎn)

2.1 地層可鉆性級(jí)別高

鉆探施工場(chǎng)地位于河北省石家莊市元氏縣，屬于華北地層區(qū)，第四系廣泛發(fā)育，平原全部被第四系所覆蓋，在山區(qū)則主要出露于山間溝谷或盆地中，厚度由山區(qū)的幾厘米至10余米到平原區(qū)的300余米不等。施工區(qū)鉆孔主要揭露地層為：0～7.76 m為第四系坡積物，主要為碎石土，巖石可鉆性級(jí)別4～5級(jí)，屬較軟-稍硬地層，松散易坍塌、孔斜、漏水；7.76～600.33 m為以花崗巖為主的地層，巖石可鉆性級(jí)別8～10級(jí)，屬硬-堅(jiān)硬地層，完整，易于取心，但巖石致密，硬度高，研磨性較強(qiáng)，鉆進(jìn)困難，鉆探效率較低。

2.2 鉆探技術(shù)要求高

（1）鉆孔設(shè)計(jì)孔深600 m，?150 mm口徑開(kāi)孔，鉆至完整基巖下?146 mm套管，最后?76 mm口徑終孔。因進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量與監(jiān)測(cè)儀器安裝，需要多級(jí)擴(kuò)孔，鉆孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

（2）基巖地層綜合取心率≮95%，遠(yuǎn)高于地質(zhì)巖心鉆探要求的全孔平均采取率≮70%的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）鉆孔垂直度偏差≯0.5°/100 m，可以累計(jì)計(jì)算。鉆孔垂直度要求比常規(guī)的鉆孔要高。

（4）鉆孔直徑及擴(kuò)孔尺寸誤差應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，以滿(mǎn)足地應(yīng)力測(cè)量與監(jiān)測(cè)儀器安裝的需求。

（5）鉆孔換徑時(shí)保證其同心度，且鉆孔孔壁必須光滑。

（6）輔助工作內(nèi)容多，需進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)及監(jiān)測(cè)儀器安裝等工作。

3 鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆探設(shè)備

3.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

開(kāi)孔為第四系地層，采用?150 mm金剛石普通單管鉆具鉆進(jìn)，至7.76 m見(jiàn)完整基巖，施工至18.70 m后，下入總長(zhǎng)19.20 m的?146 mm套管，用水灰比為0.5的P.O42.5水泥漿固孔；隨后用?130 mm金剛石單動(dòng)雙管鉆具取心鉆進(jìn)至52.03 m，換?130/95 mm金剛石外導(dǎo)向鉆具鉆進(jìn)至52.36 m，下入總長(zhǎng)53.16 m的?89 mm技術(shù)套管，換S76 mm金剛石繩索取心鉆具鉆進(jìn)直至終孔，終孔深度600.33 m。配合甲方完成相應(yīng)的試驗(yàn)后，提出?89 mm技術(shù)套管，采用?76/95 mm和?95/130 mm金剛石內(nèi)導(dǎo)向鉆具分兩級(jí)擴(kuò)孔鉆進(jìn)至114.85 m，換?91 mm金剛石內(nèi)導(dǎo)向鉆具擴(kuò)孔至115.47 m，最后用?130 mm金剛石錐形磨孔鉆具磨孔至115.00 m（見(jiàn)圖1）［5-7］。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Borehole structure

3.2 鉆探設(shè)備

結(jié)合施工區(qū)的地層特點(diǎn)及鉆孔技術(shù)要求，選用的鉆探設(shè)備主要有XY-4型鉆機(jī)、BW250A型泥漿泵、SG-18型鉆塔、NJ600型攪拌機(jī)、SJ-1000型繩索取心絞車(chē)以及XJL-42型鉆孔測(cè)斜儀。

4 鉆進(jìn)技術(shù)

4.1 取心鉆具組合

根據(jù)地應(yīng)力鉆孔技術(shù)要求，以及鉆孔三開(kāi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量鉆進(jìn)，對(duì)應(yīng)的鉆具組合見(jiàn)表1。

表1 取心鉆具組合Table 1 Core drilling string

4.2 金剛石鉆頭選擇

本孔鉆遇的地層大部分為花崗巖，巖石可鉆性8～10級(jí)，巖層研磨性較強(qiáng)，屬硬-堅(jiān)硬地層，以S76 mm繩索取心鉆進(jìn)為主，選用人造孕鑲金剛石鉆頭，依據(jù)鉆效高、壽命長(zhǎng)、成本低、取心效果好的原則，選擇?76 mm金剛石鉆頭性能參數(shù)如表2所示［8-10］。

表2 金剛石鉆頭性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of the diamond bit

4.3 鉆進(jìn)參數(shù)

根據(jù)我所多年來(lái)在花崗巖區(qū)域的地應(yīng)力鉆孔施工經(jīng)驗(yàn)，本次鉆孔采用的鉆進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 鉆進(jìn)參數(shù)Table 3 Drilling parameters

4.4 擴(kuò)孔鉆進(jìn)

S76 mm金剛石繩索取心鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)，試驗(yàn)完成后提出?89 mm技術(shù)套管，分?76/95 mm、?95/130 mm兩級(jí)進(jìn)行分級(jí)擴(kuò)孔鉆進(jìn)，鉆進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表4。采用組裝式金剛石擴(kuò)孔鉆頭（見(jiàn)圖2、圖3），擴(kuò)孔鉆具要按規(guī)定上扣，擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)注意扭矩變化，并隨時(shí)觀察泵壓變化，防止出現(xiàn)孔內(nèi)事故［11］。最后，采用?91 mm金剛石內(nèi)導(dǎo)向鉆具進(jìn)行擴(kuò)孔，用?130 mm金剛石錐形磨孔鉆頭磨孔（見(jiàn)圖4），以用于地應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀器安裝。

圖2 ?76/95 mm組裝式擴(kuò)孔鉆頭Fig.2?76/95mm modular reaming bit

圖3 ?95/130 mm組裝式擴(kuò)孔鉆頭Fig.3?95/?130mm modular reaming bit

圖4 ?130 mm金剛石錐形磨孔鉆頭Fig.4?130mm conical diamond grinding bit

表4 擴(kuò)孔鉆進(jìn)參數(shù)Table 4 Reaming parameters

4.5 沖洗液選擇

為避免沖洗液對(duì)地層的影響，提高鉆進(jìn)效率，根據(jù)鉆遇地層合理使用沖洗液體系。?150 mm孔段為第四系地層，采用優(yōu)質(zhì)粘土泥漿鉆進(jìn)，用以保護(hù)孔壁。?130 mm和?76 mm孔段為花崗巖地層，以清水作為沖洗液鉆進(jìn)施工，在微漏地層使用PHP無(wú)固相沖洗液。無(wú)固相沖洗液配方：水+0.3%CMC+300～500 mg/L PHP。無(wú)固相沖洗液性能參數(shù)：粘度18～20 s，密度1.005～1.007 g/cm3，失水量＜20 mL/30 min，含砂率＜4%，pH值7.5～8.0。

4.6 鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)措施

（1）加強(qiáng)防斜技術(shù)管理，確保鉆孔垂直度。開(kāi)鉆前必須對(duì)設(shè)備安裝質(zhì)量進(jìn)行檢查、驗(yàn)收，鉆機(jī)安裝要水平、周整，固定牢固，孔口、立軸、天車(chē)必須“三點(diǎn)一線(xiàn)”，立軸不得曠動(dòng)，頂角誤差≤0°20′［12］。鉆進(jìn)時(shí)采用剛、長(zhǎng)、直的鉆具滿(mǎn)眼鉆進(jìn)；擴(kuò)孔時(shí)帶內(nèi)扶正器，換徑時(shí)帶外扶正器；換徑時(shí)，導(dǎo)正管要長(zhǎng)于4 m，第一回次的小徑巖心管要短于1 m［6］。每50 m測(cè)斜一次，特殊情況下及時(shí)測(cè)斜，發(fā)現(xiàn)超斜要及時(shí)糾斜［13］。

（2）注重取心操作技術(shù)，保證巖心采取率。S76 mm鉆具下入孔內(nèi)之前應(yīng)檢查調(diào)整配合間隙，每回次打撈出內(nèi)管總成后應(yīng)檢查彈卡的靈活性和內(nèi)管總成的單動(dòng)性，避免打“單管”現(xiàn)象。當(dāng)鉆遇破碎地層時(shí)，需要適當(dāng)控制回次進(jìn)尺，鉆進(jìn)回次進(jìn)尺長(zhǎng)度不得超過(guò)巖心管長(zhǎng)度［14］。通過(guò)不斷摸索，掌握了取心操作技術(shù)：提鉆取心時(shí)，擰卸鉆桿盡量避免敲擊鉆桿，提鉆速度和駐車(chē)速度不能過(guò)猛，退心時(shí)應(yīng)用橡膠錘輕輕敲擊內(nèi)管取出巖心。

（3）改進(jìn)鉆探工藝，提高鉆孔同心度。?130 mm孔徑變徑為?76 mm孔徑時(shí)，先用?95/130 mm外導(dǎo)向鉆具鉆出約0.50 m深的掏槽孔，然后下入? 89 mm技術(shù)套管，在?89 mm技術(shù)套管異徑接頭外表面四圍對(duì)稱(chēng)焊有適當(dāng)直徑和長(zhǎng)度的鋼筋條，以保證技術(shù)套管下入鉆孔后與?130 mm孔段孔壁貼緊，并在孔口將?89 mm技術(shù)套管與?146 mm表層套管（兩套管要保證同心）焊接牢靠，保證在鉆進(jìn)過(guò)程中技術(shù)套管的穩(wěn)固性，最后換S76 mm金剛石繩索取心鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深。通過(guò)以上技術(shù)措施，大、小孔的同心度很高，完全能夠滿(mǎn)足地應(yīng)力測(cè)量對(duì)鉆孔質(zhì)量的要求［15］。

（4）控制鉆頭和鉆具質(zhì)量，降低鉆孔孔徑誤差。鉆頭和擴(kuò)孔器要排隊(duì)使用，先使用外徑大的，后使用外徑小的。新鉆頭外徑比舊鉆頭外徑不得大于0.2 mm，下入孔內(nèi)時(shí)不能一下到底，要在距孔0.5 m開(kāi)始掃孔到底，然后進(jìn)行“初磨”，初磨10 min左右，再采用正常參數(shù)鉆進(jìn)。及時(shí)更換已磨損的鉆頭和擴(kuò)孔器，每次提鉆仔細(xì)檢查并記錄金剛石鉆頭的磨損情況，出現(xiàn)金剛石石墨化現(xiàn)象、鉆頭出現(xiàn)明顯偏磨、鉆頭體變形、絲扣損壞、鉆頭水口和水槽小于標(biāo)準(zhǔn)尺寸等情況時(shí)，不得再下入孔內(nèi)［14，16-18］。

（5）采用分級(jí)擴(kuò)孔技術(shù)，提高擴(kuò)孔效率和質(zhì)量。擴(kuò)孔段采用?76/95 mm和?95/130 mm兩級(jí)金剛石擴(kuò)孔鉆進(jìn)技術(shù)：先采用?76/95 mm金剛石內(nèi)導(dǎo)向鉆具擴(kuò)孔鉆進(jìn)至預(yù)定位置，然后在同一孔段采用? 95/130 mm金剛石內(nèi)導(dǎo)向鉆具進(jìn)行二級(jí)擴(kuò)孔。擴(kuò)孔鉆頭是將S76 mm、S95 mm金剛石取心鉆頭及? 130 mm金剛石取心鉆頭以?76/95、?95/130 mm擴(kuò)孔導(dǎo)向接頭連接而成。采用分級(jí)擴(kuò)孔技術(shù)后擴(kuò)孔鉆進(jìn)阻力減小，鉆探設(shè)備負(fù)荷降低，保證了鉆孔的同心度和垂直度，提高了擴(kuò)孔鉆進(jìn)效率。另外，和專(zhuān)用擴(kuò)孔鉆頭相比，使用擴(kuò)孔導(dǎo)向接頭，施工中更加便于更換鉆頭，避免了不同口徑鉆頭連接在一起因無(wú)法拆分而造成鉆頭浪費(fèi)，有效降低了鉆探成本。

（6）提高設(shè)備操作技能，確保儀器安裝成功。平穩(wěn)下放壓磁地應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀器，在儀器接近?91 mm的儀器安放位置時(shí)連接上機(jī)上鉆桿，使用鉆機(jī)液壓操縱閥控制升降油缸將儀器緩慢送入，精確測(cè)量機(jī)上余尺，保證儀器送入的準(zhǔn)確位置。送入儀器到位后，待測(cè)試人員認(rèn)為將儀器完全脫離，按照測(cè)試人員指令，用鉆機(jī)液壓操縱閥控制升降油缸緩慢提動(dòng)鉆桿，將鉆桿勻速提出。測(cè)試人員再次確認(rèn)壓磁地應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀器工作狀態(tài)是否正常，如其不能正常工作，則根據(jù)測(cè)試人員要求，決定是否下鉆桿撈出儀器重新安裝，直至合格為止。

5 取得的鉆探成果

（1）巖心采取率：工程要求鉆孔深度600 m，實(shí)際鉆孔施工深度600.33 m。鉆孔取心孔段長(zhǎng)度592.57 m，實(shí)際取心長(zhǎng)度592.56 m，基巖地層綜合取心率接近100%，采取的巖心見(jiàn)圖5。

圖5 鉆孔采取的巖心Fig.5 Cores taken from boreholes

（2）鉆孔垂直度：按要求每百米進(jìn)行一次鉆孔垂直度測(cè)量，實(shí)際施工過(guò)程中，為保證鉆孔的垂直度，每50 m進(jìn)行一次鉆孔垂直度測(cè)量，測(cè)量結(jié)果均未超差。鉆孔最大孔斜0.2°，終孔孔斜0°。

（3）地應(yīng)力測(cè)量試驗(yàn)及儀器安裝：配合甲方進(jìn)行了水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量，完成了最大水平主應(yīng)力的方向印模測(cè)量，印模結(jié)果清晰可靠。在開(kāi)展地應(yīng)力測(cè)量工作后，嚴(yán)格按照技術(shù)要求進(jìn)行了分級(jí)擴(kuò)孔工作，并圓滿(mǎn)完成了地應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀器的安裝（見(jiàn)圖6）。

圖6 地應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀器安裝Fig.6 Installation of the geostress monitoring instrument

6 結(jié)論及建議

通過(guò)近幾年地應(yīng)力鉆探施工實(shí)踐，我所形成了一套技術(shù)成熟、適用性強(qiáng)的地應(yīng)力監(jiān)測(cè)孔鉆探工藝，在解決地應(yīng)力監(jiān)測(cè)孔施工關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題方面，如保證鉆孔垂直度、同心度、光滑度和巖心采取率等，取得了顯著的成效。

（1）XY-4型鉆機(jī)體積較小、安裝方便、操作靈活、易于維護(hù)，是600 m深地應(yīng)力監(jiān)測(cè)鉆孔施工的理想鉆機(jī)之一，完全能夠滿(mǎn)足此類(lèi)鉆孔成孔要求。

（2）鉆機(jī)安裝要水平、周正，開(kāi)孔前反復(fù)校正立軸的垂直度，鉆進(jìn)時(shí)采用剛、長(zhǎng)、直的鉆具滿(mǎn)眼鉆進(jìn)，并在鉆進(jìn)過(guò)程中每50 m進(jìn)行一次測(cè)斜，能夠有效預(yù)防孔斜。

（3）換徑時(shí)先用外導(dǎo)向鉆具鉆出約0.50 m深的掏槽孔，然后下入技術(shù)套管，并將其與表層套管固定，確保了鉆孔的同心度。

（4）擴(kuò)孔過(guò)程中采用了分級(jí)擴(kuò)孔技術(shù)，減小了擴(kuò)孔鉆進(jìn)阻力，降低了鉆探設(shè)備負(fù)荷，保證了鉆孔的同心度和垂直度，提高了擴(kuò)孔鉆進(jìn)效率，降低了鉆探成本。

此次施工中也暴露了前期準(zhǔn)備工作方面做的不足，對(duì)地層資料的掌握不夠完整，缺少對(duì)鉆進(jìn)施工過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題的預(yù)判與預(yù)防措施。在今后的工程施工中，應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘、資料收集和技術(shù)預(yù)防工作，避免事故發(fā)生，提高施工效率，降低施工成本。